JP2018151104A - 伝熱管を２枚以上の網板で保持した多管と胴円筒の両端接合部を硬化性樹脂によって注型した多管円筒式１パス熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱促進素子を装着した1パス伝熱管を高密度に胴円筒に設置し、管密度の高い高性能の多管円筒式1パス熱交換器を提供する。【解決手段】高密度な管束の管本数を上回る網穴をもち、胴円筒の内径に丁度入る直径である2枚以上の網板で保持したのち胴円筒に挿入し、管板に変えて両端部を硬化性樹脂で固めて両流体を遮断する。また伝熱管内に、芯ワイヤーに多数のループ状のワイヤーが取り付けられ、ループの先端が伝熱管内壁に接触している３次元立体ワイヤー素子を装着する。【選択図】図１

Description

本発明は，胴円筒と管の固定作業が容易で、かつ伝熱管内外の境膜伝熱抵抗が改善された、小型高性能な熱交換器とその製造方法に関する。

いわゆる多管円筒式熱交換器は、伝熱面積を大きくし、小型化するために多管式を採用しているが、その伝熱性能は伝熱管の内外の境膜伝熱抵抗と厚み方向の熱伝導抵抗によって決まることは基本の理論である。

この流体境膜伝熱抵抗は流体のレイノルズ数に比例して小さくなり、管内外流体の圧力損失の増大とトレードオフにあることはよく解明されており、管内部流体の伝熱促進を図る方法としては、管内に疑似乱流を形成するようなエレメント（素子）を挿入することが実用化されている。

ハイトランは芯ワイヤーに管内壁に接触するループワイヤーを固定した3次元立体素子であり、これらは多管円筒式熱交換器において、管側のパス数を大きくして流速を上げるよりも、この素子の挿入によって大きな伝熱促進効果を与える。

一方胴側の境膜伝熱抵抗を小さくする方法として、胴内を多数のバッフルで区切り、いわゆるクロスパスを大きくする方法と、胴内への管の充填本数密度を大きくする方法があり、後者は同一胴径で伝熱面積を大きくなるため、より効果的な方法である。

しかし管の充填密度を大きくする方法は、伝熱管内外の流体を隔離するための管板に、管を固着するための管周囲面積が小さくなり、溶接等に必要な面積を小さくするため限度がある。

特に伝熱面積を大きくとるために管径を小さくした場合、たとえば管径に対するピッチ比を1.25とし、外径26mmφと12mmφを充填した場合、管板で隣接する管間の幅は6.5mmと3mmとなり、後者の場合、管板と管との溶接加工は著しく困難となり、さらにピッチ比を小さくすることは現実的でない。

また胴円筒内を多数のバッフルで区切る方法は、胴側流体を管側流体とクロスフローで接するために、温度差では完全向流よりは小さくなり、いたずらに胴側の圧力損失を大きくすることになる。

発明者はすでに完全向流である２重管式熱交換器の外側の境膜伝熱係数を大きくする方法を提案している。

特開２０１６−２１７５４０

渡部、酒井、「熱交換器の伝達を促進する管側３次元ワイヤー素子“hiTRAN”の活用（その５）」、化学装置、（株）工業通信、２０１６年６月、第５８巻第６号、ｐ６４−６９

本発明の課題は、高密度に束ねた伝熱管を胴円筒に装着し、簡単確実に管内外の流体を隔離する方法を提供することにより、外側の境膜伝熱係数を大きくし、管内側の３次元ワイヤー素子と組み合わせることにより、小型高性能の多管円筒式熱交換器とその製造方法を提供するものである。

本発明は伝熱管の直径は16mm以下で、管のピッチ比は1.25以下で胴円筒に装着される場合に適用され、胴円筒は 50Ａから500Ａが好適であり、たとえば50Ａ（内径52mm）の胴円筒には外径7mmφの伝熱管をピッチ比1.19、千鳥格子で２６本配置できるが、伝熱管同士の間隔が小さいため、管板への溶接による接合は非常に困難である。

本発明ではこの26本の管を少なくとも2枚の網板で固定したのち胴円筒に挿入し、両端部の伝熱管と胴円筒の両端を硬化性樹脂で注型することにより、胴側流体と管側流体の隔離が実現される。

本発明に用いる３次元立体ワイヤー素子は、挿入と固定のため、伝熱管長さよりもその先端が出るような長さとなっていることが多いので、この端部の注型のあとに挿入することが好ましい。

注型は液体の硬化性樹脂を固化するまで水平に保つため、胴、管が縦の状態で保持し、伝熱部に硬化性樹脂が入り込まないようにシール材等で養生したのち、所定量の樹脂を注入し固化させる。

注型で得られた高密度に伝熱管が充填され、管内に３次元ワイヤー素子の充填された本発明の熱交換器は小型で高性能を示し、管板への伝熱管の溶接作業が不要なため、製造コストも少なくて済む。

内径52mmの塩ビ製胴円筒にピッチ比1.15、千鳥格子でレイアウトした伝熱管配置図と、それを保持する網板の組み込みと管配置の輪切り断面図である。 本発明の熱交換器の外見図であり、胴内の8枚の網板を点線で、内部伝熱管と、注型両端部を透視縦断面図である。 熱交換器端部注型時のシールと注型樹脂の注入方法の図である。

以下発明を実施するための形態を具体的に説明する。

図１は内径52mmの円筒内に外径6.6mmの伝熱管を31本配置した断面図で、伝熱管は複数の菱形開口部を持つ網板で保持されている。

図２は長さ方向の全体図であって、網板を8枚用いた例であり、この網板は伝熱管の保持と同時にそれぞれの位置に固定され、運転時には胴側流体の邪魔板として作用する。

図３は図２の注型部の片側の縦割り断面図で、端部に硬化性樹脂を注入して硬化する様子をモデル化したものであり、胴に挿入された伝熱管端面はシールされ、胴側の流体ノズル位置から液状の硬化性樹脂を注入し、硬化させる様子を示している。

この硬化性樹脂で胴側と伝熱管が一体化された構成体の両側に管流体出入り口ノズルを持つ頭部を取り付けることで熱交換器として機能するが、伝熱促進素子はこの頭部を取り付ける前に挿入する必要がある。

この管側に伝熱促進素子として３次元立体ワイヤー素子（ハイトラン）を用いた、本発明の熱交換器の胴側に１５℃の冷水、管側に４０℃の温水をそれぞれ１２０リットル毎分で向流熱交換を実施した結果、それぞれの出入り口温度差は9.5℃であった。

一方、同じ条件で３次元立体ワイヤー素子の挿入されていない場合の出入り口温度差は5.5℃と約半分の能力であった。

実施例と同じ胴円筒の熱交換器には、ピッチ比1.25で19本の伝熱管が配置可能であるが、薄肉管と管板の溶接は非常に困難となり、仮に出来たとしても伝熱面積は61%に低下するため、同じ大きさで本発明と同じ効果を達成することは出来ない。

地球温暖化防止のために省エネルギーが推進されており、低温排水からの熱回収技術が期待されている中、小型で効率的な本発明品は、これに多大な寄与をするものである。

Claims (6)

1. 伝熱管のすべてを、胴円筒の内径に丁度入る直径である、２枚以上の網板で管束を保持したのち胴円筒内に挿入し、その両端部の伝熱管と胴円筒を硬化性樹脂の注型によって固着し、かつその伝熱管の内部に伝熱促進素子を装着した多管円筒式１パス熱交換器。
2. 伝熱管、それを保持する網板および胴円筒がそれぞれ金属、合成樹脂あるいはそれらの組み合わせである請求項１記載の多管円筒式１パス熱交換器。
3. 伝熱管内に装着する伝熱促進素子が、芯ワイヤーに多数のループ状のワイヤーが取り付けられ、ループの先端が伝熱管内壁に接触している3次元立体ワイヤー素子である請求項１記載の多管円筒式１パス熱交換器。
4. 胴円筒の合成樹脂がポリ塩化ビニール樹脂である請求項１記載の多管円筒式1パス熱交換器。
5. 伝熱管を保持する網板の網目の一つの開口部が、伝熱管を丁度通して保持できる開口部を持つエキスパンドメタルである、請求項１記載の多管円筒式１パス熱交換器。
6. 端末の胴円筒と伝熱管を注型固定する硬化性樹脂が、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂である請求項１記載の多管円筒式１パス熱交換器。